ノードグラフアーキテクチャ

ノード グラフ アーキテクチャは、ノード グラフの概念に基づいて構築されたソフトウェア設計です。ソース コードとユーザー インターフェイスは両方とも、アトミック機能ユニットの編集と構成 (またはリンク) に基づいて設計されています。ノード グラフは、ビジュアル プログラミング言語の一種です。

ソフトウェア アプリケーションのソースコードは、ノードと呼ばれるアトミックな機能単位に編成されます。これは通常、すべてのノードの基本クラスから派生したクラスを使用して行われます。各ノードには入力と出力があり、これらも通常、すべての入力とすべての出力の基本クラスから派生したクラスを使用して実装されます。出力と入力は、通常、他の出力または入力のインスタンスへのポインターを保持することにより、相互に参照できます。ノードが機能を実行すると、ノードは入力に格納されているポインターに従って入力を取得し、他のノードによって出力されたデータを取得します。次に、ノードはこれらの入力に対して操作を実行し、独自の出力を生成します。このようにノードをリンクする機能により、複雑なタスクや問題を理解しやすいアトミックなノード単位に分解できます。

ソフトウェアアプリケーションのユーザー インターフェイスでは、多くの場合、ノード グラフがユーザーに対して視覚的に表示されます。これは通常、GPU を使用してレンダリングを実行し、その後デスクトップ上でユーザーに対して表示されます。GPUの一般的なAPI は、 OpenGLとDirectXです。ノードは多くの場合、四角形として描画され、ノード間の接続は線またはスプラインで描画されます。

ノード グラフ アーキテクチャの使用は1960 年代に始まりました。^{[引用が必要]}今日、ノード グラフの使用は爆発的に増加しています。グラフィックス、ゲーム、機械学習の分野がこのソフトウェア設計の主な採用分野であり、ほとんどのツールがノード グラフ アーキテクチャを使用しています。^{[引用が必要]}

今日に至るまで、ビジュアル プログラミングとノード グラフ アーキテクチャの利点については議論が続いています。支持者は、ノード グラフが提供する抽象化によってツールが使いやすくなることを強調しています。一方、批評家は、ビジュアル プログラミングには制限が多すぎること、タスクを実行するにはソース コードやスクリプトを変更しなければならないことを強調しています。

Twitterで Eric Hosick が、ほとんどのソフトウェア アプリケーションのすべてのノード グラフ ユーザー インターフェイスのスナップショットを収集する取り組みを続けています。この取り組みは、ノード グラフ ユーザー インターフェイスの進化と急増を、その最初のルーツから記録することを目的としています。このビジュアル ヒストリーは、Visual Programming Languages - Snapshots というブログ ページでホストされています。ノード グラフ アーキテクチャとビジュアル プログラミングにつながる作業は、1960 年代に「マン マシン コミュニケーション」として知られる領域で始まったようです。

ウィリアム ロバート サザーランドの MIT 論文 (1966 年)「オンライン グラフィカル プロシージャ仕様」では、2D の図式言語に関するトピックについて説明し、分析しています。これは、データフロー ベースのワークフローまたはプログラムに関する最初の調査の 1 つです。それ以来、彼の論文は、今日のデータフローの考え方に関する訴訟を阻止するための「先行技術」として使用されてきました。彼の研究は、今日のコンピューター支援設計 (CAD)として知られる技術への道を開いたとよく考えられています。

1. 絵を描くプログラムは、並行プロセスを表現する自然な方法です。言語の2次元的な性質は、一度に起こる多くのことを視覚化するのに役立ちます。^[1]
2. プログラムのデバッグ、特に並列プログラムのデバッグの容易さは、絵入りの言語形式によって向上します。データプローブを添付してプログラムの実行を確認できるため、他の方法では得るのが難しい詳細を把握できます。^[1]
3. プログラムの実行は、通常の明示的な順次フロー規則によって制御される必要はありません。プログラム内のデータの移動によってプログラムの動作が決まる場合があります。データ制御規則は、グラフィカル プログラムの動作方法に関する直感的な考え方に非常によく一致しており、明示的なフロー指定なしで並列プログラミングを可能にします。^[1]

1969年、TO Ellis、JF Heafner、WL Sibleyはグラフィカル入力言語（GRAIL）に関する論文を発表しました。彼らの研究は、Ivan Sutherlandが実施した、ユーザーがタブレットに直接コンピュータコマンドを書き込むことができるシステムであるSketchpadの研究から始まったRAND Tabletに関連していました。GRAILシステムはフローチャートベースのグラフィカルプログラミング言語を使用し、手書きの文字やジェスチャーを認識することができました。^[2] Alan KayはGRAILシステムのデモを数多く行っていますが、システムの作成には関与していませんでした。

1. GRAILシステムにおける重要な組織概念は、制御の連続フロー、サブルーチンの階層、そして最初の2つの概念内で組織を図式的に関連付けるための言語（フロー図）である。^[2]
2. 制御の連続性により、人は特定の機能に適応した独立したプロセスを思い描くことができ、その結果、オーガナイザーは管理可能なサブパーツの観点からプログラム全体を考えることができるようになります。^[2]
3. サブルーチン階層は、独立したプロセスの概念をさらに強調します。^[2]
4. フロー図は、これらの相互関係を2次元で表現することで、制御オプションとプロセス間の関係を視覚化するのに役立ちます。^[2]

ノード グラフ アーキテクチャの最近の使用は、2005 年頃から始まりました。この時期のノード グラフでは、ノード グラフの複雑さに対処するためのパラダイムが開発され始めました。グラフ内のノードとリンクの数が増えるにつれて、複雑さが増しました。複雑さに対処するための主要なアイデアの 1 つは、ノードを内部に隠し、グループの入力と出力のみを公開するグループまたはパッケージ ノードの概念でした。

• カタナ、鋳造所
• フーディーニ、サイドFX
• 核兵器、鋳造所
• マリ、鋳造所
• マヤ、オートデスク
• Blender (ソフトウェア) § ジオメトリノード— 公式ドキュメント
• グラスホッパー、マクニール＆アソシエイツ
• ダイナモ、オートデスク

論文「ソフトウェアアーキテクチャにおける階層的スモールワールド」^[3]で著者のセルジ・バルベルデは、大規模なソフトウェアシステムのほとんどがモジュール式かつ階層的に構築されており、ノードグラフは大規模なソフトウェアシステムの分析に使用できると主張しています。他の多くのソフトウェア分析論文では、大規模なソフトウェアシステムの分析にノードグラフがよく使用されており、ノードグラフはソフトウェアの内部構造と動作の優れたモデルであることが示唆されています。^[4]

ノード グラフは、より広範なビジュアル プログラミング言語のクラスのサブセットです。ノード グラフを使用すると、ソース コードを作成する代わりに、視覚的かつ構造化された方法でプログラムを設計できます。映画やビデオ ゲーム業界では、ノード グラフはビジュアル プログラミングと同義です。現在、ノード グラフとビジュアル プログラミング言語のパワー、抽象化、および必要性について議論されています。

• ビジュアルプログラミングの支持者は、多くの詳細を抽象化し、ドメインに必要なコントロールのみを公開することでプログラミングを簡素化できることを強調しています。^[5]これらのコントロールは、ノードの動作とノード間のリンクを制御するノード上のパラメータです。
• ビジュアルプログラミングの批評家は、一般的に、ビジュアルプログラミングでは制御が不十分であること、より複雑なタスクではソースコードの作成が必要になることを強調します。^[6]しかし、これらのより複雑なタスクは、ノードグラフの意図された使用法やドメインの範囲外になることがよくあります。

これは現在でも活発な議論が続いている分野であり、オープンフォーラムで新たな議論が行われています。以下は、これまでで最も大規模な議論のいくつかです。

• Hacker News での議論、2014 年
• Hacker News での議論、2019
• Reddit ディスカッション、2019

研究では、こうした議論についてより詳細に述べられ、ノードグラフの長所と短所がより強調される傾向があります。ノードグラフとビジュアルプログラミングは新しいユーザーにとっては理解しやすいものの、ユーザーがより複雑なタスクに移行すると、テキストソースコードの作成に頼る必要があることが示されています。^[7]別の調査では、ビジュアルプログラミングの認知効果に関する人々の信念に焦点を当てており、プロのプログラマーがビジュアルプログラミングに最も懐疑的であることがわかりました。 [8]他の研究では、心理学実験で、ビジュアルプログラミングが認知タスクのパフォーマンスに有意なプラスの影響を与える可能性があることが示されています。 [ ^{9 ]}

ソフトウェア アーキテクチャのコンテキストにおけるノードグラフとは、ソフトウェアの機能をノードと呼ばれる原子単位に編成したもので、ノードはリンクを介して相互に接続できます。ノード グラフ内のノードとリンクの操作は、多くの場合、プログラム可能なAPIまたはマウスを使用したビジュアル インターフェイスを通じて実行できます。上の図では、ノード グラフは右側に表示されています。

現代の用法では、「ノード グラフ」という用語はオープン複合語です。ただし、古いソフトウェアでは、クローズド複合語である「ノードグラフ」と呼ばれていました。

• Nodegraph、Valve Software
• ノードグラフ、ノッチ

ノードは、何らかの計算を実行します。ノードは、この実行可能な機能をカプセル化し、多くの場合、入力を受け取り、実行の副産物として出力を生成します。簡単な例としては、2 つの数値を加算するノードがあります。入力は加算する 2 つの数値で、出力は 2 つの数値の合計です。

ノードは、次の形式の数学関数に類似しています。

${\displaystyle {出力}_{nodeA}=f_{nodeA}({入力}_{nodeA})}$、

ここで、 はノードの計算、はノードの入力値のベクトル、 はノードの出力値のベクトルです。 ${\displaystyle f_{nodeA}}$${\displaystyle inputs_{nodeA}}$${\displaystyle {出力}_{nodeA}}$

視覚的には、ノードは多くの場合、四角形で表されます。ただし、これはすべてのアプリケーションが従う規則ではありません。上の図には、「ビデオ」、「星の追加」、「円の追加」というラベルの付いた 3 つのノードがあります。

ノードには多くの場合、実行を定義する追加のパラメータがあります。これらのパラメータは、ノードのソース コード内のデータ型によってサポートされます。

数学的には、これらはノードの計算関数への追加の入力値と考えることができます。唯一の違いは、これらの値は、別のノードの実行の副産物として出力されるのではなく、ユーザーによって直接制御されることです。たとえば、2 つの数値を加算するノードに関する上記の簡単な例では、ノードにバイアス パラメーターを導入して、ノードが合計に固定の数値を追加できるようにすることができます。

視覚的には、ユーザーがノードをクリックした後、ノードのパラメータが表示されることがよくあります。これにより、ノード グラフの視覚的な乱雑さが軽減されます。上の図では、「Add Star」ノードの横にパラメータ ウィンドウが開いています。

上で説明したように、ノードには多くの場合、入力と出力があります。入力と出力は、ノードのソース コード内のデータ型によってサポートされます。入力と出力は、ノードの実行前と実行後に値を格納するために重要です。

数学的には、ノードの入力と出力は関数の入力値と出力値に類似しています。

${\displaystyle {出力}_{nodeA}=f_{nodeA}({入力}_{nodeA})}$、

ここで、 はノードの計算、はノードの入力値のベクトル、 はノードの出力値のベクトルです。 ${\displaystyle f_{nodeA}}$${\displaystyle inputs_{nodeA}}$${\displaystyle {出力}_{nodeA}}$

視覚的には、ノードの入力と出力は円で表されることが多いです。

リンクは、異なるノード間でデータ型に格納された値を転送します。数学的な構成に似ています。たとえば、ノード A が出力をノード B に送っている場合、数学的には次のように表すことができます。

${\displaystyle {出力}_{nodeB}=f_{nodeB}(f_{nodeA}({入力}_{nodeA}))}$、

ここで、およびはノード B とノード A によって実行される操作であり、はノード A の入力値のベクトルであり、はノード B の出力値のベクトルです。 ${\displaystyle f_{nodeB}}$${\displaystyle f_{nodeA}}$${\displaystyle inputs_{nodeA}}$${\displaystyle 出力_{nodeB}}$

ノードのタイプは、実行時にどの計算操作を実行するかを示します。ノード グラフには、多くの場合、さまざまなノード タイプが参加します。次に例をいくつか示します。

• 人気の視覚効果合成プログラムであるNukeには、数百のノードが含まれています。^[10]各ノードは合成に関連する特定のタスクを実行します。
• 人気のルック＆ライティングソフトウェアであるKatanaには、数百のノードが含まれています。^[11]各ノードは、コンピュータグラフィックスシーンのライティングに関連する特定のタスクを実行します。
• 人気の3DペイントソフトウェアであるMariには、数百のノードが含まれています。^[12]各ノードは3Dペイントに関連する特定のタスクを実行します。

複雑さを管理する上で最も重要なノード タイプはグループ ノードです。このノード タイプは、他のノードと同じようにソフトウェア コードを実行しません。このノードは、接続されたノードのサブセットをグループ化し、グループへの入力とグループからの出力を管理するだけです。これにより、複雑さがグループ ノード内に隠され、グループ外の他のノードとの結合が制限されます。これにより、より小さなグラフがグループ ノードに埋め込まれる階層が生まれます。以下は、接続されたノードのサブセットをグループ化し、グラフを簡素化するために使用されるグループ ノードの例です。

• Nukeのグループノード。^[13]
• Katanaのグループノード。^[14]

ノード グラフ アーキテクチャを使用するソフトウェア アプリケーションは、通常、ノード グラフを視覚的またはグラフィカルにユーザーに公開し、ユーザーがノード グラフを変更できるようにします。マウスを使用すると、ユーザーは通常、次の操作を実行できます。

• 新しいノードを作成する
• ノードのパラメータを編集する
• ノードを接続する
• 特定のノードまでのグラフを評価する
• ノードの現在の出力値を表示する

ノード グラフの使用が増えるにつれて、現在、ユーザー フレンドリーなインターフェイスの作成に注目が集まっています。多くの場合、これらの新しいインターフェイスは、ユーザー インターフェイスの専門家やグラフィカル デザイナーによって設計されています。以下は、アーティストやデザイナーによって設計されたユーザー インターフェイスの一部です。

• Dribbble のノードグラフ
• Dribbble のノード

グラフ理論の理論的結果の多くは、特にトポロジーに関して、ノード グラフに適用されます。ノードがリンクされてグラフを形成するこの分野は、よく研究されています。

ノード グラフの評価中に特に懸念されるのは、サイクルです。ノード グラフにサイクルが存在する場合、ノードはリンクをたどって継続的に実行されるため、評価は終了しません。これらの問題を回避するために、多くのノード グラフ アーキテクチャは、有向非巡回グラフと呼ばれるグラフのサブセットに制限されています。

ソフトウェア設計におけるノード グラフ アーキテクチャの使用は、映画やビデオ ゲーム業界で特に人気があります。上の図は、ビデオの編集と作成のための芸術的なツールの簡略化されたユーザー インターフェイスを示しています。ノードは長方形で表され、曲線 (ベジェ曲線)によって互いに接続されています。このソフトウェアの操作モデルでは、ビデオ シーケンスが線を介して次のノードに渡され、各ノードがビデオ シーケンスに追加の変更を加えます。この例では、1 つのビデオが 2D に変換され、別のビデオがピクセル化され、最後に両方のストリームが結合されます。

以下は、映画およびビデオゲーム業界でノード グラフ アーキテクチャを使用しているソフトウェアの例です。

• カタナ、鋳造所
• フーディーニ、サイドFX
• 核兵器、鋳造所
• マリ、鋳造所
• マヤ、オートデスク
• ブレンダー

ソフトウェア設計におけるノード グラフ アーキテクチャの使用は、最近、機械学習アプリケーションで非常に人気が高まっています。上の図は、3 つの層で構成された単純なニューラル ネットワークを示しています。3 つの層は、入力層、非表示層、および出力層です。各層の要素は重みであり、他の層の重みに接続されています。推論中、機械学習アルゴリズムは、前の層の重みに対する一連の機能評価を通じて、出力層の重みを評価します。トレーニング中、機械学習アルゴリズムは最適化を使用して損失関数を最小化します。損失関数は、出力層の重みと期待値の差によって異なります。ノード グラフは、これらのニューラル ネットワーク層を視覚化、構成、およびデバッグするために使用されます。

以下は、ノード グラフのグラフィカル インターフェイスなしで ノード グラフ アーキテクチャを使用する機械学習ソフトウェアの例です。

• PyTorch、GitHub、Facebook
• TensorFlow、GitHub、Google

以下は、ノードグラフアーキテクチャを使用した機械学習ソフトウェアの例です。

• グラフブック、セルブレック
• パーセプティラボ、KDnuggets
• ディープコグニション、ディープコンジション株式会社
• ニューラルネットワークモデラー、IBM
• ニューラルネットワークコンソール、ソニー
• 数字、nVIDIA

• Adobe サブスタンスデザイナー

• 構造的距離に基づくソフトウェアアーキテクチャ変更の指標
• ソフトウェアの表現と分析
• 「ソフトウェアアーキテクチャスタイルのグラフ文法と制約解決」1998: 69–72。CiteSeerX 10.1.1.108.9362 。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
• Palsingh, Rishi; Vandana, Vandana (2014). 「コンピュータサイエンスとエンジニアリングにおけるグラフ理論の応用」。International Journal of Computer Applications。104 ( 1 ): 1–4。Bibcode :2014IJCA..104a..10P。CiteSeerX 10.1.1.800.2735。doi :10.5120/18165-9025 。 
• ソラート、スシュルート。チョーダリ、ヴァラド（2016）。 「ノードグラフ アーキテクチャを使用した、単語の定義に基づく逆引き辞書の実装」(PDF)。arXiv : 1606.00025。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
• 「ソフトウェアの表現と分析」。CiteSeerX 10.1.1.394.4865 。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
• ビジュアルプログラミングの歴史: ベーシックからバブルまで
• スクラッチソフトウェア
• Blockly ソフトウェア
• ビジュアルプログラミングとは